TWI509087B - High strength hot rolled steel - Google Patents

Description

高強度熱軋鋼材

本發明係關於一種鋼材，特別係關於一種高強度熱軋鋼材。

習知高強度汽車用鋼材的開發，大多朝向晶粒細化來發展。通常欲獲得粒徑小於5微米的晶粒，較常使用的方式是採用相變化來達成，例如添加鉬、硼等元素來產生變韌鐵相變化。然而，研究結果發現，以變韌鐵為主要顯微組織之鋼材的伸長率不佳，因此，於常溫下不易加工成形，故目前冷加工成形的高強度鋼材已多數轉為以肥粒鐵為主要相的方向進行發展。

現有以肥粒鐵為主要相之冷加工成形高強度鋼材，以雙相鋼(Dual-Phase Steel)最為著名，雙相鋼主要是藉由軋延時之冷卻控制，而在肥粒鐵的基相中散佈著10~30%的麻田散鐵，此雙相鋼的抗拉強度為300MPa~900MPa。然而，實際使用時發現，當麻田散鐵等低溫相變化產物的含量越多時，雖可有效增加強度，卻會導致加工性變差，因此，雙相鋼需運用階段冷卻方式來控制鋼材中之麻田散鐵的量，以取得符合後續應用之強度及加工性。然而，對熱軋的連續軋延、冷卻及盤捲製程而言，階段冷卻的控制相當不易，通常無法取得符合業界要求的加工性。

我國公告專利第I373532號「高強度熱軋鋼材及其製法」揭示一種晶粒微米化與析出奈米化的冶金設計，其係利用Ti-V複合添加的方式製作熱軋鋼材，不過此種設計鋼材的抗拉強度達880Mpa時，就幾 乎已經達到極限，若要進一步增加強度就必須再增加Ti、V、C的添加量，因為其強度增加主要來自於碳化物的產生，碳化物析出量愈多，強度愈高。惟，Ti-V的添加量增加，鋼胚於熱軋的再熱溫度就必須設定愈高，以將鋼胚中的(Ti,V)C固溶，而太高的再熱溫度除了消耗更多的能源，同時也可能造成晶粒的不正常成長。此外，為了促進碳化物析出而提高碳含量，也可能促進晶界上析出雪明碳鐵，造成使用伸長率下降，並導致加工性不佳。

因此，有必要提供一創新且具進步性之高強度熱軋鋼材，以解決上述問題。

本發明提供一種高強度熱軋鋼材，以總重為100wt%計算，包括0.01~0.25wt%的碳、0.50~3.00wt%的錳、0.3~1.0wt%的銅、0.2~1.1wt%的鎳、0.05~0.30wt%的鈦、0.02~0.07wt%的釩、0.1~0.3wt%的鉻以及0.0020~0.0150wt%的氮，而鈦與氮的含量比值係大於3.42，且該鋼材的顯微結構包含一肥粒鐵相及一高碳相，該肥粒鐵相的面積比率為90%以上。

本發明高強度熱軋鋼材可產生非常大量的析出物，而發揮最大的析出強化效果。此外，由於本發明高強度熱軋鋼材組織主要是肥粒鐵相(90%以上)，因此可具備良好的冷加工成形性。

為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明所述目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。

圖1顯示本發明高強度熱軋鋼材之顯微組織照片；及圖2顯示本發明高強度熱軋鋼材中大量析出物之顯微照片。

本發明提供一種高強度熱軋鋼材，以總重為100wt%計算，包括0.01~0.25wt%的碳、0.50~3.00wt%的錳、0.3~1.0wt%的銅、0.2~1.1wt%的鎳、0.05~0.30wt%的鈦、0.02~0.07wt%的釩、0.1~0.3wt%的鉻以及0.0020~0.0150wt%的氮。該鋼材的顯微結構包含一肥粒鐵相及一高碳相，該肥粒鐵相的面積比率為90%以上，且該肥粒鐵相的粒徑為1至5微米。在本實施例中，該高強度熱軋鋼材另具有複數個分散於該肥粒鐵相中的析出物，該等析出物含有碳化物及富銅相(ε-Cu)粒子。較佳地，碳化物的粒徑為20奈米以下，而富銅相(ε-Cu)粒子的粒徑為30奈米以下。

上述提及的各種成份分別具有不同的作用，於本發明中，除了碳、錳、銅、鎳、鈦、釩、鉻及氮為主要成份之外，其餘成份可依據實際需要進行添加。以下分別針對各種成份及其含量比例對該高強度熱軋鋼材的影響進行說明：碳：為鋼材中重要的強化元素，且亦是決定奈米析出物的重要元素。當碳含量太低時，析出物不易生成。當碳含量太高時，則析出物容易粗化，使得鋼材強度太強，也可能會使鋼材的硬化能提高而容易產生變韌鐵或麻田散鐵，進而使得該鋼材的伸長率降低。因此，較佳地，碳含量應控制在0.01~0.25wt%。

錳：為鋼材中重要的固溶強化元素，用以提高鋼材強度。當錳含量太高時，會造成鋼材的成形性不佳。因此，較佳地，錳含量應控制在0.50~3.00wt%。

銅：為鋼材中重要的固溶強化與耐候元素，本發明利用銅(Cu)在500~650℃所產生的富銅相(ε-Cu)析出物來提高鋼材強度。較佳地，銅含量應控制在0.3~1.0wt%。

鎳：為鋼材中重要的固溶強化元素，添加鎳可避免因銅的添加而造成鋼胚於高溫產生熱裂。較佳地，鎳含量應控制在0.2~1.1wt%。

氮：為固溶強化元素，且氮與鈦的結合性良好，在超過1400℃以上的高溫就會開始形成氮化鈦(TiN)。本發明主要藉由氮化鈦的生成及運用氮化鈦的高溫穩定性，在熱軋加熱爐內阻止沃斯田鐵晶粒的過度成長。然而，當氮含量太高時，會造成氮化鈦過度粗化而成為破壞起始源。因此，較佳地，氮含量應控制在0.0020~0.0150wt%。

鈦：為常用的析出強化元素，鈦除了可於高溫產生氮化鈦外，亦可在噴水冷卻之熱軋盤捲過程中，產生碳化鈦(TiC)析出。較佳地，鈦與氮的含量比值係大於3.42，以使鈦的過飽和度提高，並可在短時間內大量成核產生奈米級析出物，進而達到析出強化的目的。然而，當鈦含量太高時，會使得析出的碳化鈦粗化，並讓析出強化效果下降。因此，較佳地，鈦含量應控制在0.05~0.30wt%。

矽：為固溶強化元素，矽可延遲雪明碳鐵的析出，使得過飽和的碳得以產生大量奈米級析出物。

磷：屬於鋼材中的不純物，容易偏析至晶界，造成晶界脆化。當磷含量過高時，容易造成熱軋延時的邊裂，且產品在使用時也會產生脆性問題。因此，較佳地，磷含量應控制在0.02wt%以下。

硫：屬於鋼材中的不純物，在高溫時可能產生TiS、Ti₄ C₂ S₂ 與MnS，其中TiS及Ti₄ C₂ S₂ 會消耗所添加的鈦，而MnS受軋延後會呈長條狀，成為破壞起始源。因此，較佳地，硫含量應控制在0.005wt%以下。

釩：為常用的析出強化元素，當添加適量釩時，可延後TiC析出物的粗大，使得TiC可保持奈米級尺寸並大量分散於肥粒鐵相中。然而，當釩含量太高時，則容易讓析出物粗化。因此，較佳地，釩含量應控制在0.02~0.07wt%。

鉻：為提高鋼材硬化能與提昇耐蝕性的重要元素，同時也是析出強化元素。添加鉻的目的是藉由鉻與碳的良好親和性，以延遲雪明碳鐵之析出。

鋁：主要用來作為煉鋼時進行脫氧。當鋁含量低於0.01wt%時，將造成脫氧不足；當鋁含量高於0.30wt%時，將影響成形性。因此，較佳地，鋁含量應控制在0.01~0.30wt%。

本發明高強度熱軋鋼材之製作方式可依據一般熔煉製程進行，例如選用適當含量的元素組份與鐵進行熔煉後，再予以造塊或連鑄成鋼胚。

為了讓鋼胚中的鈦能在後續熱軋步驟中產生奈米析出物，可先將鋼胚放置於一再加熱爐中，並將再加熱溫度控制在1150℃以上，以使鋼胚中的TiC完全固溶，進而在後續的熱軋步驟中，得以重新析出奈米級TiC。且在此高溫下，由於還有穩定的TiN存在，故可有效抑制沃斯田鐵晶粒成長。較佳地，該再加熱溫度為1150至1300℃。

在鋼胚的熱軋步驟中，可運用一般軋延機進行熱軋，而完軋溫度應控制在Ar3溫度以上。原因在於當完軋溫度低於Ar3溫度時，熱軋步驟將會在兩相區中進行，使得肥粒鐵相提早生成而導致肥粒鐵相的晶粒產生粗化現象，以致無法獲得微米級肥粒鐵相晶粒。因此，完軋溫度應控制在Ar3溫度以上，且較佳地，完軋溫度為Ar3溫度至950℃。

在粗製鋼材的冷卻步驟中，較佳地，完軋後的粗製鋼材以每秒20℃的冷卻速率進行快速冷卻，以避免軋延所產的缺陷會被回復，同時可降低肥粒鐵的變態溫度，進而有助於獲得1至5微米的肥粒鐵晶粒，如圖1所示，其係顯示本發明高強度熱軋鋼材之顯微組織照片。

此外，盤捲溫度亦需控制在550至680℃，原因在於此溫度範圍是TiC在肥粒鐵相中的主要析出溫度，所以在此溫度範圍進行盤捲後，可運用盤捲後緩慢地冷卻，使TiC有足夠的時間大量析出，同時藉由其他組份來避免析出物過度成長，因而可獲得粒徑為20奈米以下的碳化物，如圖2所示，其係顯示本發明高強度熱軋鋼材中大量析出物之顯微照片。另外，在盤捲緩冷的過程中，富銅相(ε-Cu)粒子也會產生析出，其粒徑為30奈米以下。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

[發明例1~2]

依據表1之成份進行調配，再預先進行真空熔煉並澆鑄製得鋼胚。鋼胚於一高溫爐中，以1200℃之再熱溫度進行加熱，以獲得經加熱之鋼胚。於一軋延機中對經加熱之鋼胚進行熱軋步驟，再以870℃之完軋溫度將鋼胚軋延至5毫米厚，以獲得完軋鋼材。完軋鋼材以每秒30℃之冷卻速率進行冷卻步驟及以570℃之盤捲溫度進行盤捲步驟，最後製得發明例1~2之熱軋鋼材。

[測試]分別針對發明例1~2之以下性質進行測試：

1.降伏強度(Yield Strength)：依據標準方法CNS 2112,G2014進行測試，單位為MPa。

2.抗拉強度(Tensile Strength)：依據標準方法CNS 2112,G2014進行測試，單位為MPa。

3.伸長率(Elongation)：依據標準方法CNS 2112,G2014進行測試。

發明例1~2之測試結果如表1所示。由表1之測試結果可發現，發明例1~2之抗拉強度皆大於900MPa，且發明例1~2之伸長率皆大於16%。

上述結果證明本發明高強度熱軋鋼材因可產生非常大量的析出物，故可發揮最大的析出強化效果。此外，由於本發明高強度熱軋鋼 材組織主要是肥粒鐵相(90%以上)，因此可具備良好的冷加工成形性。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (3)

1. 一種高強度熱軋鋼材，以總重為100wt%計算，包括0.01~0.25wt%的碳、0.50~3.00wt%的錳、0.3~1.0wt%的銅、0.2~1.1wt%的鎳、0.05~0.30wt%的鈦、0.02~0.07wt%的釩、0.1~0.3wt%的鉻以及0.0020~0.0150wt%的氮，而鈦與氮的含量比值係大於3.42，該鋼材的顯微結構包含一肥粒鐵相及一高碳相，該肥粒鐵相的面積比率為90%以上，且該鋼材具有複數個分散於該肥粒鐵相中的析出物，該等析出物含有碳化物及富銅相(ε-Cu)粒子，且富銅相(ε-Cu)粒子的粒徑為30奈米以下。
2. 如請求項1之高強度熱軋鋼材，其中該肥粒鐵相的粒徑為1至5微米。
3. 如請求項1之高強度熱軋鋼材，其中碳化物的粒徑為20奈米以下。